должно оставаться неизменным. Сейчас монополистом стал более простой и более надёжный генератор переменного тока с полупроводниковым выпрямителем и встроенным транзисторным регулятором напряжения.
Небольшие электрогенераторы с ручным приводом входили в комплект некоторых военных радиостанций для разведчиков — на случай если где-нибудь в тылу врага закончатся батареи. Множество подобных маленьких электрических машин, вращаемых мускульной силой, можно увидеть на велосипедах, их электрическая фара позволяет даже ночью пользоваться этим замечательным транспортом. И совсем уже миниатюрная, но вполне настоящая электростанция — безбатарейный карманный фонарик. Чтобы он давал свет, нужно 30–40 раз в минуту сжимать кулак и с помощью системы рычагов вращать ротор электрогенератора. Его мощность всего 0,2 ватта, рукой много не наработаешь.
ВК-215. Через сорок лет после появления трёхэлектродной лампы был создан усилительный полупроводниковый триод — транзистор. Он мог иметь структуру р-n-р или n-р-n, а значит, всегда имел два pn-перехода. Его зоны называются «эмиттер» (выбрасывающий), «база» и «коллектор» (собирающий). Эмиттерный pn-переход включён в прямом направлении и легко поставляет заряды в базу. Просочившись сквозь неё, они попадают в коллекторный переход и участвуют в создании сильного коллекторного тока.
Р-93. ВМЕСТО ОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ БЕЗ ВСЯКИХ ПРОБЛЕМ ПОЛУЧАЕМ ДВА РАЗНЫХ. Потребитель, как правило, получает электроэнергию с понижающего трансформатора, обслуживающего большой многоквартирный дом или несколько дачных домиков (в этом случае трансформатор часто висит на столбе). Вторичная обмотка такого трансформатора, как правило, имеет три секции, соединённые звездой, и получателю энергии её можно направить с одной из этих секций — с одной из фазовых обмоток. В квартиру или в дачный дом при этом входят два провода с одной из фазовых обмоток и общий, вводится, как принято говорить, одно из трех фазовых напряжений Uф (1). В случае если каким-то аппаратам или машинам необходимо более высокое напряжение, например мощной газовой плите или подъёмной машине лифта, то к ним от того же трансформатора можно подвести линейное напряжение Uл (2), которое почти в два раза (точнее в 1,7 раза) больше фазового.
Т-178. Аккумулятор и гальванический элемент — не кладовка, а химический комбинат. В каком-то смысле аккумулятор или гальванический элемент делают то же самое, что и хорошо знакомый нам конденсатор, — накапливают электрические заряды на двух специальных деталях, на двух электродах. Но конденсатор получает готовые заряды от постороннего источника напряжения и удерживает их на своих обкладках силой электрического поля, а в аккумуляторе и гальваническом элементе свободные заряды появляются в результате определённых химических реакций. Отсюда и название химические источники тока. Существуют, правда, электролитические конденсаторы, в которых для накопления зарядов тоже используют химические процессы, и за счёт этого ёмкость конденсатора получается довольно большой.
В аккумуляторе важнейшие события происходят в жидкости, в которую погружены электроды. Эта жидкость называется «электролит», она участник всех химических и электрических процессов. В электролит, как уже говорилось, погружены два токопроводящих электрода — катод (от греческого «катодос» — «спуск») и анод (от греческого «анодос» — «путь вверх»). Всё, что происходит в аккумуляторе дальше — это результат химических взаимодействий электролита с электродами. Физическая, а точнее, химическая основа создания э.д.с. в аккумуляторах и гальванических элементах была коротко представлена в разделе Т-41. У аккумулятора существуют два основных рабочих режима — зарядка, когда внешний источник энергии создаёт в нём запас энергии, и разряд, когда аккумулятор отдаёт запасённую энергию в виде электрического тока в нагрузке.
При зарядке от внешнего источника к электродам аккумулятора подводят постоянное напряжение — к катоду «минус», к аноду «плюс». В цепи появляется зарядный ток (Р-28), и в итоге создаётся собственная э.д.с. аккумулятора. Она действует и после отключения внешнего напряжения и сохраняет его полярность — на аноде «плюс», на катоде «минус».
При разрядке к заряженному аккумулятору подключают нагрузку, и в цепи появляется разрядный ток — электроны, как всегда, во внеш ней цепи двигаются от «минуса» к «плюсу», то есть от катода к аноду, а условное направление тока, как всегда, от «плюса» к «минусу».
ВК-216. Сорок лет вакуумные лампы совершенствовались и служили основой развития радиоэлектроники. Несмотря на интересные находки, первый транзистор был создан в 1947 году группой физиков-теоретиков высокого класса. Более чем через 12 лет появился совершенно новый полевой транзистор. Его током с электрода затвор управляет слабый сигнал, воздействуя на ток своим электрическим полем. Ток, из которого формируется усиленный сигнал, подводится к электроду исток и снимается с электрода сток уже в усиленном виде.
Химический источник тока не конденсатор, не кладовка, куда свозится готовая продукция (Т-8) — избыточные заряды. Химический источник тока, в частности, аккумулятор, — это сложная химическая машина, и при зарядке накопление ионов на электродах всего лишь начало цепочки химических превращений, в результате которых катод, запасая химическую энергию, становится «минусом», а анод «плюсом».
Мы не будем в деталях разбирать все эти химические процессы, а лишь отметим: в конденсаторе накопление готовых избыточных зарядов длится секунды, а зарядка аккумулятора может занять несколько часов. Потому что зарядка аккумулятора связана со сложной химической перестройкой вещества и, конечно, с накоплением несравнимо большей энергии. Так, например, конденсатор ёмкостью С = 5000 мкФ, заряженный напряжением 2 В, может поддерживать в цепи средний ток 1 мА в течение 10 секунд, а одна банка небольшого автомобильного аккумулятора при том же напряжении 2 В будет поддерживать в цепи ток 1 мА в течение 50 000 часов.
Более двухсот лет учёные и изобретатели ищут так называемые гальванические пары — вещества на роль электродов и электролита для химических источников тока. Для аккумуляторов пока удалось подобрать лишь несколько комплектов достойных гальванических пар, и на их основе выпускается несколько типов химических накопителей электричества.
Самый распространённый — кислотный аккумулятор, в нём электролитом служит раствор серной кислоты (H2SО4), а электроды изготовлены в основном из пористых соединений свинца с сурьмой. Аккумуляторы обычно называют по типу применяемого электролита или по основному материалу электродов. В частности, широко применяемые кислотные аккумуляторы называют ещё и свинцовыми. Электролит в двух разновидностях щелочного аккумулятора — едкий натрий (NaOH) или едкий калий (КОН), известные щёлочи. О веществе электродов этих аккумуляторов говорят названия «кадмиево-никелевый» аккумулятор и «железо-никелевый». У серебряно-цинкового аккумулятора электролитом служит химический чистый гидроксид калия.
ВК-217.Начавшись с простейших полупроводниковых диодов и несовершенных еще транзисторов, электроника сформировала две огромные области — микроэлектронику и силовую электронику. Некоторые результаты: крупносерийное изготовление транзисторов, занимающих в кристалле область размером 50 нанометров (на площади с типографскую точку разместились бы сотни тысяч таких транзисторов), и, с другой стороны, полупроводниковые переключатели, рассчитанные на токи в сотни и даже тысячи ампер.
Несколько слов о нескольких характеристиках аккумулятора. Во-первых, это электродвижущая сила, она зависит только от самой гальванической пары, и у кислотных аккумуляторов самая большая — 2,1 В, у щелочных и серебряно-цинковых примерно 1,2 В. Реальное напряжение на выходе аккумулятора, конечно, чуть меньше — что-то теряется на внутреннем сопротивлении, и тем больше, чем больше потребляемый ток. Кроме того, внутреннее сопротивление растёт с возрастом аккумулятора и числом циклов заряд-разряд. Растёт оно из-за медленного разрушения электродов и загрязнения электролита их «мусором». Это приводит также к саморазряду аккумулятора, при старении он сам по себе разряжается всё быстрее.
Чтобы увеличить напряжение, отдельные аккумуляторы, или, как принято говорить, отдельные банки, соединяют последовательно в батарею. Так, у автомобильной аккумуляторной батареи обычно 6 банок, без нагрузки их напряжение 12,6 В.
О том, сколько энергии запасает аккумулятор, говорит очень важная характеристика — его ёмкость. Несмотря на схожесть названия, она измеряется не в фарадах, а в ампер-часах, сокращённо А∙ч. Если аккумулятор ёмкостью 60 А∙ч полностью заряжен, то от него можно потреблять ток 1 А в течение 60 часов, или 5 А в течение 12 часов, или 60 А в течение часа. Можно продолжить эти арифметические упражнения, но не беспредельно — у каждого типа аккумуляторов есть рекомендованный ток зарядки (10–15 % от ёмкости) и предельно допустимый разрядный ток.
ВК-218. В схеме транзисторного усилителя обычно есть делитель напряжения, он подаёт на базу начальное смещение. Оно открывает эмиттерный pn-переход и выводит режим усилителя в нужную рабочую точку. В коллекторную цепь включена нагрузка — в ней выделяется мощность усиленного сигнала. Нагрузкой может быть громкоговоритель, электродвигатель, колебательный контур, а также просто сопротивление (резистор). По цепочке обратной связи часть усиленного сигнала возвращают во входную цепь.
Здесь опять кислотный аккумулятор вне конкуренции, даже при небольшой ёмкости 60 А∙ч от него можно потреблять ток до 200 А, что-то около этого может понадобиться автомобильному стартеру, выполняющему нелёгкую работу при запуске двигателя, особенно зимой.
Ещё одна очень интересная характеристика, хотя вспоминают о ней нечасто, — запасаемая аккумулятором энергия, которая приходится на килограмм массы. Именно с этой характеристики нужно начинать все размышления об электромобиле, которому так часто уделяет внимание пресса. Нетрудно подсчитать, что если от упомянутого кислотного автомобильного аккумулятора с напряжением 12,6 В и ёмкостью 60 А